WO2013103128A1 - 空中超音波探傷装置および空中超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

　空中超音波探傷装置は、多層構造体の被検査体の厚さをｔ、被検査体を伝播する縦波超音波の音速をＶとしたとき　ｆ≒Ｖ・Ｎ／（２ｔ）（ただし、Ｎは正の整数） の条件を満足する中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を、空気中の雰囲気に置かれた被検査体上の測定点に向けて送信する縦波超音波送信子と、被検査体を透過してくる縦波超音波を受信する縦波超音波受信子とを備える。

Description

空中超音波探傷装置および空中超音波探傷方法

　本発明は、空中超音波探傷装置および空中超音波探傷方法に関する。

　空気中の雰囲気に置かれた被検査体に対して縦波の超音波を送信する超音波送信子と、被検査体を透過してくる超音波を受信する超音波受信子とを備え、被検査体の欠陥の有無を判定する装置がある（ＪＰ２００９－６３３７２Ａ参照）。この装置では、被検査体への超音波の入射点でモード変換によって横波を発生させ、この横波を用いて、被検査体内での超音波の透過率を向上し、Ｓ／Ｎ比を改善している。

　ところで、電極とセパレータとを積層した発電要素を、外装材としてのラミネートフィルムで被覆し、外装材の内部に電解液を充填しているラミネート型電池がある。このラミネート型電池では、ラミネートシート直下に電解液が存在する。電解液内部では、モード変換による横波が発生しないので、ＪＰ２００９－６３３７２Ａの技術をそもそも適用できない。

　本発明は、モード変換による横波が発生しない多層構造体のような検査体であっても、高い超音波探傷精度を実現し得る空中超音波探傷装置および空中超音波探傷方法を提供することを目的とする。

　一実施形態における空中超音波探傷装置は、多層構造体の被検査体の厚さをｔ、被検査体を伝播する縦波超音波の音速をＶとしたとき
　　ｆ≒Ｖ・Ｎ／（２ｔ）（ただし、Ｎは正の整数）　　　　　　…（１）
の条件を満足する中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を、空気中の雰囲気に置かれた被検査体上の測定点に向けて送信する縦波超音波送信子と、被検査体を透過してくる縦波超音波を受信する縦波超音波受信子とを備える。

　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。

図１は、第１実施形態の空中超音波探傷装置の概略構成図である。 図２は、被検査体の内部で生じる縦波超音波の開管共鳴現象の説明図である。 図３は、被検査体を伝播する開管共鳴周波数帯の縦波超音波の中心周波数の算出を説明するための第１実施形態のフローチャートである。 図４は、アクリル板厚に対する縦波超音波の透過強度の特性図である。 図５は、縦波超音波の透過強度が最大、最小になる条件のときの定在波の様子を示す説明図である。 図６は、正の整数からのズレに対する縦波超音波の透過強度の特性図である。 図７は、被検査体を伝播する開管共鳴周波数帯の縦波超音波の中心周波数の算出を説明するための第２実施形態のフローチャートである。 図８は、被検査体内部で共鳴する縦波超音波の波長の長さと被検査体の厚さ変動量の影響を示す説明図である。 図９は、実施例１の中心周波数に対する縦波超音波の透過強度の特性図である。 図１０は、実施例１の正の整数１からのズレに対する縦波超音波の透過強度の特性図である。 図１１は、ラミネート型電池の概略斜視図である。 図１２は、発電要素の分解斜視図である。 図１３は、実施例２のサンプル電池の概略斜視図である。 図１４は、実施例２のサンプル電池の縦断面図である。 図１５は、実施例２の縦波超音波の透過強度の特性図である。 図１６は、実施例３のサンプル電池の概略斜視図である。 図１７は、実施例３のサンプル電池の縦断面図である。 図１８は、実施例３の縦波超音波の透過強度の特性図である。 図１９は、実施例２、３の縦波超音波の透過強度の変化率の特性図である。

　以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。

　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態の空中超音波探傷装置１の概略構成図である。空中超音波探傷装置１は、縦波超音波の送信センサー５、縦波超音波の受信センサー６、Ｚ軸移動機構１１、Ｘ軸・Ｙ軸移動機構１３、縦波超音波パルサーレシーバ１５、データ収集装置１９、データ処理装置２０などを備える。

　図１において、被検査体３は、支持機構４に取り付けられ、空気中に置かれている。支持機構４は、基台１４に固定されている。ここで、被検査体３としては、電極とセパレータとを含み、全体として四角扁平状の発電要素をアルミラミネートフィルムで被覆し、周縁部を熱融着により接合密閉した、いわゆるラミネート型電池（多層構造体）を主に考えている。ただし、被検査体３がラミネート型電池に限定されることはない。

　被検査体３の上方には、被検査体３に向けて縦波超音波７を照射する縦波超音波送信センサー（縦波超音波送信子）５を、下方には、検査体３を透過してくる縦波超音波８を受信する縦波超音波受信センサー（縦波超音波受信子）６を備えている。ここで、「縦波超音波」とは、被検査体３の厚さ方向（図１で上下方向）に伝播する超音波のことである。

　これら送受信センサー５、６は、被検査体３を挟むようにして延びている一対の支持体９、１０の一端にそれぞれ取り付けられ、支持体９、１０の他端は、支持体９、１０を鉛直方向に移動し得るＺ軸移動機構１１を介して移動体１２に連結されている。Ｚ軸移動機構１１は、センサートラバースコントローラ２２からの指示に従って、縦波超音波送受信センサー５、６の被検査体表面に対する高さ方向（図１で上下方向）に移動する。

　移動体１２は、この移動体１２を被検査体３の面方向（図１で水平方向と紙面に直交する方向）に移動し得るＸ軸・Ｙ軸移動機構１３を介して、基台１４と連結されている。Ｘ軸、Ｙ軸移動機構１３は、センサートラバースコントローラ２２からの指示に従って、被検査体表面の各測定点を被検査体３の面上の任意の点に（２次元に）移動（走査）する。また、Ｘ軸・Ｙ軸移動機構１３及びＺ軸移動機構１１は、被検査体３の面上の各測定点を３次元の位置データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）として出力する。

　縦波超音波パルサーレシーバ１５は、被検査体３への入力信号としての縦波超音波を縦波超音波送信センサー５に向けて発信すると共に、縦波超音波受信センサー６からの縦波超音波の透過信号を受信して、縦波超音波の透過強度を求める。

　縦波超音波パルサーレシーバ１５からの縦波超音波の透過強度と、Ｘ軸・Ｙ軸移動機構１３及びＺ軸移動機構１１からの位置データは、データ収集装置１９に入力される。データ収集装置１９は、これら位置データと縦波超音波の透過強度データを関係付ける。

　データ収集装置１９からの信号を受けるデータ処理装置２０は、縦波超音波の透過強度のデータに基づいて二次元画像を生成するなどのデータ処理を行う。この二次元画像は、モニター２１に表示される。モニター２１に表示される２次元画像によって、被検査体３の内部に欠陥があるか否かを目視できる。

　また、データ処理装置２０は、被検査体３の面方向の走査条件（移動条件）を設定する。データ処理装置２０で設定した走査条件は、センサートラバースコントローラ２２に送られる。センサートラバースコントローラ２２は、この被検査体３の面方向の走査条件と一致するように、Ｘ軸・Ｙ軸移動機構１３及びＺ軸移動機構１１を介して、縦波超音波送受信センサー５、６を被検査体３の面方向に動かす。

　本実施形態では、縦波超音波の伝播経路の一部（縦波超音波送信センサー５より被検体３まで及び被検査体３より縦波超音波受信センサー６まで）に空気が存在するので、この空気中（空中）を伝播する過程で超音波が減衰する。

　ここで、空気中の雰囲気に置かれた被検査体と、この被検査体に対して縦波超音波を送信する超音波送信子と、被検査体を透過してくる超音波を受信する超音波受信子とを備え、被検査体に対して縦波超音波を斜めに入射する従来装置がある。この従来装置では、被検査体への縦波超音波の入射点でモード変換によって横波を発生させ、この横波を用いて、被検査体の内部での超音波の透過率を向上し（透過率：横波＞縦波)、Ｓ／Ｎ（ノイズに対する信号強度）比を改善している。

　しかしながら、被検査体が、電極とセパレータとを積層した発電要素を外装材としてのラミネートフィルムで被覆し、外装材の内部に電解液を充填しているラミネート型電池の場合に、従来装置を適用できないという問題がある。ラミネート型電池では、ラミネートシートの直下に電解液が存在し、この電解液の内部では、モード変換による横波が発生しないので、従来装置をそもそも適用できないのである。また、ラミネート型電池では、電解液と薄い電極などが交互に配置された超音波伝播経路となるので、薄い電極などの積層体(固体)の中においてもＳ／Ｎ比を改善し得る横波は発生しない。

　そこで本発明の第１実施形態では、縦波超音波によって被検査体３に開管共鳴を生じさせるようにする。ここでいう「開管共鳴」とは、気柱振動における開管共鳴を応用するものである。縦波超音波によって被検査体３に開管共鳴を生じさせると、縦波超音波の透過強度が大きくなり、被検査体３の内部で縦波超音波が減衰しない。

　縦波は、媒質内の各点の振動方向と波の進行方向とが同じであり、そのままでは図示できないので、横波（例えば波の進行方向の変位を正、逆方向の変位を負とする）で表すと、被検査体３の内部に開管共鳴が生じているときの縦波超音波の状態は、図２に示すようになる。すなわち、開管共鳴が生じているとき定在波が生じる。ここでいう定在波とは、被検査体３の一端（図２で上端）から入射した縦波超音波が他端（図２で下端）で自由端反射し、再び元の一端で自由端反射を繰り返し干渉して、両端が腹になるような波のことである。

　図２において被検査体３の厚さをｔ、被検査体３を厚さ方向に伝播する縦波超音波の音速をＶとしたとき、開管共鳴周波数帯の縦波超音波の中心周波数ｆは、次の式（１）を満足する。ここで、式（１）のＮは、正の整数（１，２，３・・・）である。
　　　ｆ≒Ｖ・Ｎ／（２ｔ）　　　　　　　　　　　　　　　…（１）

　式（１）の条件を満足する中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を被検査体３に照射したとき、被検査体３に定在波が生じる。図２には、左側より１次の定在波、２次の定在波、３次の定在波、４次の定在波、５次の定在波の５種類の定在波を示している。

　本実施形態では、被検査体３の厚さｔや、被検査体３を厚さ方向に伝播する縦波超音波の音速Ｖが相違しても対処し得るよう、図１に示したように、縦波超音波パルサーレシーバ１５に送信波周波数可変装置１６及び入力装置１７を付属している。すなわち、入力装置１７で被検査体３の代表厚さｔと縦波超音波の音速Ｖを入力すると、上記式（１）により、送信波周波数可変装置１６が縦波超音波の中心周波数ｆを算出する。そして、 縦波超音波パルサーレシーバ１５は、送信波周波数可変装置１６が算出した中心周波数成分を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を作り、これを被検査体３への入力信号として縦波超音波送信センサー５に与える。入力信号としては、例えば、正弦波信号、ランダム波形信号、チャープ信号などを用いればよい。

　図３は、被検査体３を伝播する開管共鳴周波数帯の縦波超音波の中心周波数ｆを算出する流れを示すフローチャートであり、送信波周波数可変装置１６が実行する。ステップＳ１では、被検査体３の代表厚さｔを読み込み、ステップＳ２では、被検査体３を伝播する縦波超音波の音速Ｖを読み込む。ここで、被検査体３の代表厚さｔは予め測定しておく。被検査体３を伝播する縦波超音波の音速Ｖも適合により予め求めておく。音速Ｖは簡単には一定値でよいが、温度の影響を受けるときには温度に応じた値を用いることが考えられる。

　ステップＳ３では、上記式（１）により、開管共鳴周波数帯の縦波超音波の中心周波数ｆを算出する。ステップＳ４では、算出した中心周波数ｆを縦波超音波パルサーレシーバ１５に出力する。

　中心周波数ｆが与えられる縦波超音波パルサーレシーバ１５は、中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を生成し、生成した開管共鳴周波数帯の縦波超音波を、被検査体３への入力信号として、縦波超音波送信センサー５に送信する。超音波送信センサー５は、縦波超音波を被検査体３に照射し、縦波超音波受信センサー６が被検査体５を透過した縦波超音波を受信する。

　このような構成により、気柱振動の開管共鳴と同様の原理によって、図２に示したように、被検査体３の内部で縦波超音波が共鳴する。その結果、被検査体３の内部を透過し縦波超音波受信センサー６で受信される縦波超音波の透過強度が大きくなる。

　図４は、中心周波数ｆ＝３３３［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を用い、縦波超音波の音速Ｖが２７３１［ｍ／ｓｅｃ］であるアクリル板の厚さを変化させたときに、特定の板厚で開管共鳴が生じて縦波超音波の透過強度が大きくなった一例を示す。図４より、ピークを生じている２箇所のアクリル板厚のとき、縦波超音波の透過強度が１［Ｖ］に近いのに対して、他のアクリル板厚のときには０．８［Ｖ］にも届いていないことがわかる。

　さらに詳述する。上記式（１）は、左辺に被検査体の厚さｔ、右辺に被検査体を伝播する超音波の波長λで整理すると、次の式（２）が得られる。
　　ｔ≒（Ｖ／ｆ）／２・Ｎ＝λ／２・Ｎ　　　　　　　　　　　　…（２）

　さらに、式（２）をＮで整理すると、次式（３）が得られる。
　　Ｎ＝ｔ／（λ／２）＝２ｔ／λ　　　　　　　　　　　　　　　…（３）

　式（３）によって算出されるＮの値が、限りなく正の整数（１，２，３・・・）に等しいときに縦波超音波の透過強度は最も大きくなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。その反面、Ｎの値が、正の整数から最も遠ざかる０．５， １．５， ２．５に等しくなるにつれて、縦波超音波の透過強度は小さくなり、Ｓ／Ｎ比は低下する。例えば、図５の上段は、縦波超音波の透過強度が最大になる条件で縦波超音波が被検査体を伝播する様子を示し、図５の下段は、縦波超音波の透過強度が最小になる条件で縦波超音波が被検査体を伝播する様子を示している。両者を比較すればわかるように、図５の上段が開管共鳴が生じる場合の縦波超音波の状態を示している。

　図６は、アクリル板を伝播する縦波超音波の透過強度が最大及び最小になる条件を確認した一例を示している。すなわち、図６では、アクリル板を伝播する縦波超音波の音速Ｖを２７３１［ｍ／ｓｅｃ］、縦波超音波の中心周波数ｆを３３３［ｋＨｚ］とした条件で、アクリル板の板厚ｔを１［ｍｍ］～１１．５［ｍｍ］と振って、正の整数Ｎ（１，２，３・・・）の値を変化させている。図６より、Ｎの値が限りなく正の整数に等しいとき、例えばＮ＝０．９６（正の整数１からのズレ０．０４）のとき、縦波超音波の透過強度は０．９２［Ｖ］と大きくなっている。同様に、Ｎ＝１．９４（正の整数１からのズレ０．０６）のとき、縦波超音波の透過強度は０．９１［Ｖ］と相対的に大きくなっている。一方、Ｎ＝０．５（正の整数１からのズレ０．５）のとき、縦波超音波の透過強度は０．３０［Ｖ］と相対的に小さくなっている。このように、Ｎの値が限りなく正の整数（１，２，３・・・）に等しいときには、Ｎの値が正の整数から最も遠ざかる０．５、 １．５、 ２．５・・・に等しくなるときより、約１０［ｄＢ］の透過強度の増加およびＳ／Ｎ比の改善効果が認められた。

　また、正の整数Ｎを大きくすることは、上記式（１）の関係から、被検査体の内部の共振周波数の次数が高くなることを意味する。そして、共振周波数の次数が高くなるほど、高精度かつ高分解能で検査体の内部を探傷し得る。このため、高周波（ＭＨｚオーダー）の縦波超音波送受信センサー５、６を用いることで、高精度かつ高分解能の縦波超音波による被検査体の内部の検知（内部探傷）が可能となる。以下で具体的に述べる。ラミネート電池では発電要素を外装材で被覆した後に電解液を充填するが、その際に発電要素の内部の空気が電解液と置き換わらず、発電要素の内部に空気が粒状で残ってしまうことがある。空気が発電要素の内部に残存すると、その部分では反応が生じることがなく、電池性能が低下することとなる。この場合に、図１に示した空中超音波探傷装置１を用いれば、そのモニター２１によって発電要素の内部に空気の粒が生じているか否かを目視で確認できる。空気の粒が小さくなるほど波長を短くしないと検出できないが、上記のように高周波の縦波超音波を用いることで、空気の粒が小さい場合でも検出できるようになる。

　ここで、第１実施形態の作用効果を説明する。

　第１実施形態では、多層構造体を被検査体３とし、空中超音波探傷装置１は、縦波超音波を、空気中の雰囲気に置かれた被検査体３上の測定点に向けて送信する縦波超音波送信センサー５（縦波超音波送信子）と、被検査体３を透過してくる縦波超音波を受信する縦波超音波受信センサー６（縦波超音波受信子）とを備えている。縦波超音波は、被検査体３の厚さをｔ、被検査体３を伝播する縦波超音波の音速をＶとすると、
　　ｆ≒Ｖ・Ｎ／（２ｔ）（ただし、Ｎは正の整数）　　　　　　…（１）
の条件を満足する中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波である。第１実施形態によれば、上記式（１）の条件を満足する中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を空気中の雰囲気に置かれた被検査体３上の測定点に向けて照射するので、縦波超音波の透過強度が大きくなる。これによって、Ｓ／Ｎ比が大きくなり、ラミネート型電池（ラミネート型電気デバイス）などの多層構造体であっても、高い超音波探傷精度を実現することができる。

　第１実施形態の空中超音波探傷装置によれば、中心周波数ｆの成分を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を、縦波超音波送信センサー５（縦波超音波送信子）から被検査体３に入力する入力信号として生成すると共に、縦波超音波受信センサー６（縦波超音波受信子）からの信号を受ける縦波超音波パルサーレシーバ１５と、縦波超音波送信センサー５及び縦波超音波受信センサー６の被検査体３上の測定点に対する位置を被検査体３の厚さ方向に移動し得るＺ軸移動機構１１（厚さ方向移動機構）と、被検査体３上の測定点を被検査体３の面方向に移動し得るＸ軸・Ｙ軸移動機構１３（面方向移動機構）と、被検査体３上の測定点の位置データと縦波超音波パルサーレシーバ１５から出力される縦波超音波の透過強度のデータとを関連づけて収集するデータ収集装置１９と、データ収集装置１９からの縦波超音波の透過強度の出力データを受けて２次元画像化するデータ処理装置２０と、二次元画像を表示するモニター２１と、縦波超音波送受信センサー５、６（縦波超音波送受信子）の面方向の移動条件を設定する面方向移動条件設定装置（２０）と、面方向移動条件設定装置（２０）で設定された移動条件となるようにＸ軸・Ｙ軸移動機構１３を制御するセンサートラバースコントローラ２２（トラバースコントローラ）とを有する。これにより、被検査体３上の任意の測定点で容易に被検査体３の内部の超音波探傷を行うことができる。

　第１実施形態の空中超音波探傷装置によれば、被検査体３の厚さｔ及び被検査体３を伝播する縦波超音波の音速Ｖを入力し得る入力装置１７と、入力装置１７から入力される厚さｔ及び音速Ｖから中心周波数ｆを算出し、算出した中心周波数ｆを縦波超音波パルサーレシーバ１５に伝える送信波周波数可変装置１６を有する。これにより、被検査体３の厚さｔや被検査体３を伝播する縦波超音波の音速Ｖが相違しても、開管共鳴周波数帯の縦波超音波の中心周波数ｆを容易に変化させることができる。

　（第２実施形態）
　図７は、被検査体３を伝播する開管共鳴周波数帯の縦波超音波の中心周波数ｆを算出する流れを示すフローチャートであり、送信波周波数可変装置１６が実行する。第１実施形態の図３と置き換わるものである。図３と同一ステップには同一番号を付している。

　第１実施形態では、被検査体３としてのラミネート型電池の厚さは、ほぼ一定であるものとして説明した。実際には、ラミネート型電池の表面は必ずしも平らでなく、厚みも厳密に一定でない。従って、ラミネート型電池の表面に少しの凹凸やしわによる傾斜部があると、空中からラミネート型電池の表面に入射する縦波超音波の入射角のばらつきにより、縦波超音波受信センサー６に到達する縦波超音波の透過強度のレベルが変動する。この変動を受けて、そのレベルが、「検知対象を判定する閾値」のレベル以下となったのでは、ラミネート型電池の表面の少しの凹凸やしわを「検知対象」と誤判定してしまう可能性がある。

　そこで第２実施形態では、被検査体３の厚さの変動量Δｔを求め、厚さ変動量Δｔが所定値を超えるときには、誤判定が生じると判断し、上記（１）式の正の整数Ｎを１としたときの中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を用いる。

　図７に示すフローチャートは、図３に示すフローチャートに対して、ステップＳ１１～Ｓ１３が新たに加わっている。

　ステップＳ２に続くステップＳ１１では、被検査体３の厚さ変動量Δｔを読み込む。被検査体３の厚さ変動量Δｔは予め求めておき、送信波周波数可変装置１６の入力装置１７で入力する。

　ステップＳ１２では、この厚さ変動量Δｔと所定値を比較する。所定値は誤判定が生じるか否かの判定値で、予め定めておく。厚さ変動量Δｔが所定値以上であるときには誤判定が生じると判断し、ステップＳ１３に進み、正の整数を１とする中心周波数ｆを次の式（４）で算出する。式（４）を上記式（１）と比較すればわかるように、式（４）は式（１）においてＮ＝１としたものである。
　　ｆ≒Ｖ／（２ｔ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（４）

　ステップＳ１３に続くステップＳ４では、ステップＳ１３で算出した中心周波数ｆを縦波超音波パルサーレシーバ１５に出力する。

　一方、ステップ１２で厚さ変動量Δｔが所定値未満であるときには誤判定が生じないと判断し、ステップＳ３に進み、上記式（１）により、縦波超音波の中心周波数ｆを算出する。ステップＳ３に続くステップＳ４では、ステップＳ３で算出した中心周波数ｆを縦波超音波パルサーレシーバ１５に出力する。

　中心周波数ｆが与えられる縦波超音波パルサーレシーバ１５は、中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を生成し、生成した開管共鳴周波数帯の縦波超音波を、被検査体３への入力信号として縦波超音波送信センサー５に送信する。縦波超音波送信センサー５は、開管共鳴周波数帯の縦波超音波を被検査体３に照射し、縦波超音波受信センサー６が被検査体５を透過した縦波超音波を受信する。

　次に、厚さ変動量Δｔが所定値以上のときに、正の整数Ｎを１とする上記式（４）で中心周波数ｆを算出することにした理由を説明する。

　上記式（１）を変形し、左辺に被検査体の厚さｔ、右辺に被検査体を伝播する縦波超音波の波長λで整理すると、次の式（２）が得られる。
　　ｔ≒（Ｖ／ｆ）／２・Ｎ＝λ／２・Ｎ　　　　　　　　　　　…（２）

　Ｎ＝１のとき、すなわち被検査体の厚さ方向に１次の定在波が発生するように開管共鳴周波数帯の縦波超音波の中心周波数を決めることにより、式（２）は次の式（５）となる。
　　ｔ＝λ／２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（５）

　式（５）より、次式（６）が得られ、被検査体３の内部を伝播する縦波超音波の波長λが最も長くなる。
　　λ＝２ｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（６）

　ここで、被検査体３の厚さｔに±Δｔの厚さ変動量があるとすると、Ｎの値は、厚さ変動の影響を受ける。上記式(３)のｔに代えてｔ±Δｔを代入すると、次の式（７）が得られる。
　　Ｎ＝ｔ／（λ／２）
　　　＝２（ｔ±Δｔ）／λ＝２ｔ／λ±２Δｔ／λ　　　　　　…（７）

　式（７）を式（３）と比較すればわかるように、Ｎの値は、正の整数値に対し、式（７）の右辺第２項の分、つまり±２Δｔ／λの分だけ変動する。

　ここで、被検査体の内部を伝播する縦波超音波の波長λが、厚さ変動量Δｔに対して限りなく大きければ、±２Δｔ／λ≒０となり、Ｎの値が限りなく正の整数（１，２，３・・・）に近づく。この場合、被検査体に±Δｔの厚さ変動量が存在しても、縦波超音波受信センサー６により受信される縦波超音波の透過強度はほぼ変わらず、従って縦波超音波の透過強度の変動への影響はほとんどない。一方、被検査体の内部を伝播する縦波超音波の周波数が高い（波長λが短い）と、±２Δｔ／λは±０.５に近づく。つまり、Ｎの値が正の整数±０.５に近づくので、縦波超音波受信センサー６により受信される縦波超音波の透過強度が低下する（縦波超音波の透過強度が変動する）。

　図８は、被検査体の内部で共鳴する縦波超音波の波長の長さと被検査体の厚さ変動量Δｔの影響を示している。図８において、上段は厚さ変動量Δｔが存在しない場合、下段は厚さ変動量Δｔが存在する場合である。

　図８からも分かるように、同じ厚さ変動量Δｔが存在するとき、波長λが最も長いＮ＝１のときが、波長λが相対的に短くなるＮ＝２、３のときより、影響が少ない。このように、波長λは、より長いほうが被検査体の厚さ変動量Δｔの影響を受けにくくなることから、厚さ変動量Δｔが所定値以上であるときには縦波超音波の透過強度の低下があると判断し、波長λの最も長い縦波超音波が被検査体を伝播するようにＮが１である場合の中心周波数を選択する。これによって、被検査体には、厚さ方向に波長λの最も長い１次の定在波（図８の左側参照）が発生するので、ラミネート型電池を被検査体とする場合に、電池表面に少しの凹凸やしわによる傾斜部などの厚さ変動量の存在があっても、その影響を著しく低減することができる。

　第２実施形態における空中超音波探傷装置は、電極と電解質とから構成される発電要素を外装材としての扁平状のフィルムで被覆した電気デバイスを被検査体３とし、縦波超音波を、空気中の雰囲気に置かれた被検査体３上の測定点に向けて送信する縦波超音波送信センサー５（縦波超音波送信子）と、被検査体３を透過してくる縦波超音波を受信する縦波超音波受信センサー６（縦波超音波受信子）とを備える。縦波超音波は、被検査体の厚さをｔ、被検査体を伝播する縦波超音波の音速をＶとしたとき
　　ｆ≒Ｖ／（２ｔ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（４）

の条件を満足する中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波である。第２実施形態によれば、上記式（４）の条件を満足する中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を、空気中の雰囲気に置かれた被検査体３上の測定点に向けて照射している。つまり、開管共鳴周波数帯の中で最も波長λの長い縦波超音波を採用するので、ラミネート型電池の厚さ方向の変動量Δｔの影響による縦波超音波の減衰をより小さくすることができる。これによって、ラミネート型電池の外装材であるラミネートフィルムの表面に凹凸やしわによる傾斜部があっても、高い超音波探傷精度を実現することができる。

　（実施例１）
　実施例１は第１実施形態の実施例である。代表厚さが４［ｍｍ］、縦波超音波が伝播するときの音速が２７３１［ｍ／ｓｅｃ］であるアクリル板を被検査体とした。このアクリル板に対し、中心周波数１７５［ｋＨｚ］、３３３［ｋＨｚ］、７４１［ｋＨｚ］をそれぞれ含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射した。すなわち、中心周波数が３３３［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射したとき、縦波超音波の透過強度が０．９２［Ｖ］となった。同様に、中心周波数が１７５［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射したとき、縦波超音波の透過強度が０．４４［Ｖ］となった。同様に、中心周波数が７４１［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射したとき、縦波超音波の透過強度が０．１９［Ｖ］となった。これらの結果をまとめて記入したものが図９である。

　ここで、中心周波数が３３３［ｋＨｚ］のときのＮを計算してみると、Ｎ＝０．９６、つまり正の整数１からのズレは０．０４である。同様に、中心周波数が１７５［ｋＨｚ］のときのＮを計算してみると、Ｎ＝０．５２、つまり正の整数１からのズレは０．４８である。同様に、中心周波数が７４１［ｋＨｚ］のときのＮを計算してみると、Ｎ＝２．２０、つまり正の整数１からのズレは０．２０である。

　そこで、図９の結果を、正の整数１からのズレを横軸にしたグラフにしてみると、図１０の結果が得られた。図１０より、中心周波数が３３３［ｋＨｚ］のときに中心周波数ｆ≒Ｖ・Ｎ／（２ｔ）の条件を最もよく満足し、縦波超音波の透過強度が最大になった。

　（実施例２）
　実施例２は第２実施形態の実施例である。ここでは、まずラミネート型電池３１を図１１、図１２を参照して概説する。

　図１１は、リチウムイオン二次電池などのラミネート型電池３１の概略斜視図、図１２は、発電要素３２の分解斜視図である。

　図１１に示すように、ラミネート型電池３１は、実際に充放電反応が進行する略四角扁平状の発電要素が、電池外装材であるラミネートフィルム４４（扁平状のフィルム）の内部に封止された構造を有する。詳しくは、高分子－金属複合ラミネートフィルムを電池外装材として用いて、その周縁部４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄを熱融着にて接合することにより、発電要素を収納し、密封した構成を有している。

　図１２に示すように、発電要素３２は、負極３４、セパレータ３２、正極３８をこの順に積層した構成を有している。ここで、負極３４は、四角薄板状の負極集電体３５の両面に負極活物質層３６、３６を配置したものである。同様に正極３８は、四角薄板状の正極集電体３９の両面に正極活物質層４０、４０を配置したものである。セパレータ４２は、主に多孔質の熱可塑性樹脂から形成されている。セパレータ４２が電解液を保持することで、セパレータ４２と一体に電解質層が形成されている。言い換えると、２つの電極間のＬｉイオンの移動媒体としての機能を有する電解質層が、液体電解質と樹脂を含む微多孔膜のセパレータ４２とで構成されている。

　これにより、隣接する負極３４、セパレータ４２（電解液を含む）及び正極３８は、一つの単電池層４３（単電池）を構成する。単電池層４３では、電子とイオンが２つの電極間を移動して電池の充放電反応（電気化学反応）を行う。従って、ラミネート型電池３１は、単電池層４３を積層することで、電気的に並列接続された構成を有するともいえる。また、単電池層４３の外周には、隣接する負極集電体３５と正極集電体３９との間を絶縁するためのシール部（絶縁層）を設けてもよい。発電要素３２の両最外層に位置する最外層負極集電体３５には、いずれも片面のみ（図１２で最上段の負極集電体３５には下面のみ、最下段の負極集電体３５には上面のみ）に負極活物質層３６を配置している。

　負極集電体３５及び正極集電体３９には、各電極（負極または正極）から出入りする電子を外部に取り出す負極タブ４５及び正極タブ４６の２つの強電タブを取り付け、ラミネートフィルム４４の周縁部に挟まれるようにラミネートフィルム４４の外部に導出させている。発電要素３２は、全体として四辺を有する四角扁平状に形成されているので、四辺のうちの一辺のみより２つの強電タブ４５、４６をまとめて外部に導出させている（図１１参照）。なお、図１２において、各負極タブ４５同士を、また各正極タブ４６同士を電気的に接続することはいうまでもない。

　さて、実施例２の被検査体として用いたサンプルのラミネート型電池（以下「サンプル電池」という。）３１は、代表厚さが７［ｍｍ］あり、しわなどの影響により０．７３［ｍｍ］の厚さ変動量が生じていた。以下では、実施例２のサンプル電池３１が図１３に示すような形状であるものとして述べる。

　図１４は、図１３において面上の一点鎖線に沿った実施例２のサンプル電池３１の縦断面図である。図１４のように、実施例２のサンプル電池３１には、表面（上面）に厚さ変動に伴う凸部５１、５２が２箇所に生じている。

　この場合、まず図１３、図１４に示すように、縦波超音波送受信センサー５、６を第１測定位置（「測定位置Ａ」とする。）にセットした（実線参照）。そして、中心周波数１８０［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた後、中心周波数７４６［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた。

　次に、図１３、図１４に示したように、測定位置Ａより一点鎖線に沿って少しずらせた第２測定位置（「測定位置Ｂ」とする。）に縦波超音波送受信センサー５、６（破線参照）をセットした。そして、前記と同様に、中心周波数１８０［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた後、中心周波数７４６［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた。

　このようにして得た縦波超音波の透過強度と測定位置との関係をまとめたのが図１５で、横軸に測定位置を、縦軸に縦波超音波の透過強度を採っている。ここで、中心周波数１８０［ｋＨｚ］の縦波超音波の波長λは９．１［ｍｍ］、中心周波数７４６［ｋＨｚ］の縦波超音波の波長λは２．２［ｍｍ］である。図１５より、波長λが相対的に長い９．１［ｍｍ］の縦波超音波では、その透過強度の変化量が０．０９［Ｖ］であるのに対して、波長λが相対的に短い２．２［ｍｍ］の縦波超音波ではその透過強度の変化量が０．５３［Ｖ］と大きくなっている。

　このように、実施例２によれば、波長λが９．１［ｍｍ］と相対的に長い縦波超音波のほうが、サンプル電池３１の電池表面の少しの凹凸（厚さ変動）による縦波超音波の透過強度の変化量を低減できることがわかる。

　（実施例３）
　実施例３も第２実施形態の実施例である。ここでは、実施例３のサンプル電池３１が図１６に示すような形状であるとして説明する。図１７は、図１６において、面上の二点鎖線に沿った実施例３のサンプル電池３１の縦断面図である。図１７のように、実施例３のラミネート型電池３１には、表面（上面）に厚さ変動に伴う凸部５３が一箇所に生じている。

　この場合に、まず図１６、図１７に示したように、縦波超音波送受信センサー５、６を第３測定位置（「測定位置Ｃ」とする。）にセットした（実線参照）。そして、中心周波数１８０［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた後、中心周波数が７４６［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた。

　次に、図１６、図１７に示したように、測定位置Ｃより二点鎖線に沿って少しずらせた第４測定位置（「測定位置Ｄ」とする。）に縦波超音波送受信センサー５、６をセットした（長破線参照）。そして、前記と同様に、中心周波数１８０［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた後、中心周波数７４６［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた。

　次に、図１６、図１７に示したように、測定位置Ｄより二点鎖線に沿ってさらにずらせた第５測定位置（「測定位置Ｅ」とする。）に縦波超音波送受信センサー５、６をセットした（短破線参照）。そして、前記と同様に、中心周波数１８０［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた後、中心周波数が７４６［ｋＨｚ］を含む開管共鳴周波数帯の縦波の超音波を照射し、その縦波超音波の透過強度を求めた。

　このようにして得た縦波超音波の透過強度と測定位置との関係をまとめたのが図１８であり、横軸に測定位置を、縦軸に縦波超音波の透過強度を採っている。ここで、中心周波数１８０［ｋＨｚ］の縦波超音波の波長λは９．１［ｍｍ］、中心周波数７４６［ｋＨｚ］の縦波超音波の波長λは２．２［ｍｍ］である。図１８より、波長λが相対的に長い９．１［ｍｍ］の縦波超音波では、その透過強度の変化量が０．２１［Ｖ］であるのに対して、波長λが相対的に短い２．２［ｍｍ］の縦波超音波では、その透過強度の変化量が０．５３［Ｖ］と大きくなっている。

　このように、実施例３によれば、実施例２と同様に、波長λが９．１［ｍｍ］と相対的に長い縦波超音波のほうが、サンプル電池３１の電池表面の少しの凹凸（厚さ変動）による縦波超音波の透過強度の変化量を低減できることがわかる。
　（実施例２、３のまとめ）

　図１９は、実施例２、３で得た縦波超音波の透過強度の変化量から縦波超音波の透過強度の変化率を計算してまとめたものである。図１９において、横軸は厚さ変動量／（λ/４）［％］で整理している。図１９より、中心周波数が１８０［ｋＨｚ］と相対的に低周波の縦波超音波のほうが、中心周波数が７４６［ｋＨｚ］と相対的に高周波の縦波超音波に比べて、波長λに対する厚さ変動量の比率が小さくなっている。これより、共振条件からのズレが小さくなり、縦波超音波の透過強度の変化率が相対的に小さくなることがわかる。なお、Ｎ＝１、２、３は、理論と実験によって求めたデータである。

　上述した実施形態では、縦波超音波送受信センサー５、６が一組である場合で説明したが、これに限られるものでない。縦波超音波送受信センサー５、６を二組以上設けてもかまわない。

　上述した実施形態では、電気デバイスとしてラミネート型電池を例示したが、これに限られるものでない。多層構造体であるかぎり、他のタイプの二次電池、さらには一次電池にも適用できる。また、電池だけでなく電気二重層キャパシタのような電気化学キャパシタにも適用がある。

　本願は、２０１２年１月６日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－００１１５４に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

1. 　多層構造体の被検査体の厚さをｔ、被検査体を伝播する縦波超音波の音速をＶとしたとき
   　　ｆ≒Ｖ・Ｎ／（２ｔ）（ただし、Ｎは正の整数）
   の条件を満足する中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を、空気中の雰囲気に置かれた被検査体上の測定点に向けて送信する縦波超音波送信子と、被検査体を透過してくる縦波超音波を受信する縦波超音波受信子とを備える空中超音波探傷装置。
2. 　請求項１に記載の空中超音波探傷装置において、
   　前記被検査体は、電極と電解質とを有する発電要素を外装材としての扁平状のフィルムで被覆した電気デバイスであり、前記条件のＮが１である空中超音波探傷装置。
3. 　請求項１または請求項２に記載の空中超音波探傷装置において、
   　前記中心周波数の成分を含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を、前記縦波超音波送信子から前記被検査体に入力する入力信号として生成すると共に、前記縦波超音波受信子からの信号を受ける縦波超音波パルサーレシーバと、
   　前記縦波超音波送信子及び縦波超音波受信子の前記被検査体上の測定点に対する位置を前記被検査体の厚さ方向に移動し得る厚さ方向移動機構と、
   　前記被検査体上の測定点を前記被検査体の面方向に移動し得る面方向移動機構と、
   　前記被検査体上の測定点の位置データと前記縦波超音波パルサーレシーバから出力される縦波超音波の透過強度のデータとを関連づけて収集するデータ収集装置と、
   　このデータ収集装置からの前記縦波超音波の透過強度の出力データに基づいて、二次元画像を生成するデータ処理装置と、
   　この二次元画像を表示するモニターと、
   　前記縦波超音波送受信子の面方向の移動条件を設定する面方向移動条件設定装置と、
   　この面方向移動条件設定装置で設定された移動条件となるように前記面方向移動機構を制御するトラバースコントローラと
   　をさらに備える空中超音波探傷装置。
4. 　請求項３に記載の空中超音波探傷装置において、
   　前記被検査体の厚さ及び被検査体を伝播する縦波超音波の音速を入力し得る入力装置と、この入力装置から入力される厚さ及び音速から前記中心周波数を算出し、算出した中心周波数を前記縦波超音波パルサーレシーバに伝える送信波周波数可変装置をさらに備える空中超音波探傷装置。
5. 　多層構造体の被検査体の厚さをｔ、被検査体を伝播する縦波超音波の音速をＶとしたとき
   　　ｆ≒Ｖ・Ｎ／（２ｔ）（ただし、Ｎは正の整数）
   の条件を満足する中心周波数ｆを含む開管共鳴周波数帯の縦波超音波を、空気中の雰囲気に置かれた被検査体上の測定点に向けて送信し、前記被検査体を透過してくる縦波超音波を受信し、当該受信した縦波超音波に基づいて探傷を行う空中超音波探傷方法。

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